TWI646019B - 可適配模組化電力系統（amps）和專用連接器；模組化有效載荷箱和配置成容納它的自主水設備 - Google Patents

可適配模組化電力系統（amps）和專用連接器；模組化有效載荷箱和配置成容納它的自主水設備 Download PDF

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Abstract

可適配模組化電力系統(AMPS)以多種方式分層級。AMPS模組連接到底板，一個或多個AMPS底板可以形成AMPS域。在同一時間，設備電子裝置是模組化的，各有效載荷箱需要彼此通信。提供常見的電源和信號傳輸纜線來使有效載荷箱互連。還提供專用的連接器系統，使得AMPS模組可以進行通信、控制、接收資料，並供給和接收電力。

Description

可適配模組化電力系統(AMPS)和專用連接器；模組化有效載荷箱和配置成容納它的自主水設備
本發明涉及用於自主水設備(autonomous water vehicles)的電力分配和管理系統、連接器系統、以及有效載荷箱。在該示例性實施方式中，電力分配和管理系統、連接器系統和有效載荷箱被部署在自主波能設備(“WPV”)中，WPV是一種受到水中的波浪作用的裝置，並在某些情況下利用在水中的波的動力來推進。
當波沿水的表面行進時，波產生垂直運動，但沒有水的淨水平運動。垂直運動的幅度隨深度增大而減小；在約半波長的深度，幾乎沒有垂直運動。風誘導的水流速率也隨著深度增大而急劇減小。已提出多項建議來利用波動力做有用功。可參考，例如，美國專利No.986,627，No.1,315,267，No.2,520,804，No.3,312,186，No.3,453,981，No.3,508,516，No.3,845,733，No.3,872,819，No.3,928,967，No.4,332,571，No.4,371,347，No.4,389,843，No.4,598,547，No.4,684,350，No.4,842,560，No.4,968,273，No.5,084,630，No.5,577,942，No.6,099,368和No.6,561,856，美國公開No.2003/0220027和No.2004/0102107，以及國際公開No.WO 1987/04401和No.WO 1994/10029。基於所有的目的，這些專利和公開中的每一個的全部內容在此 通過引用的方式併入到本申請中。
許多已知的WPV包括(1)漂浮部件，(2)游泳部件(也稱為潛水部件或滑翔部件，和(3)連接所述漂浮部件和所述潛水部件的系鏈(也稱為臍管)。當設備處於靜止的水中時，漂浮部件、潛水部件和臍管是這樣的：(i)該漂浮部件在水的表面上或附近，(ii)該潛水部件浸沒在漂浮部件下面，以及(iii)臍管處於張緊狀態。潛水部件包括翅片或其他波致動元件，當該設備是在有波浪的水中時，翅片或其他波致動元件與水相互作用以產生可以被用於有用的目的的力，例如以沿著具有水平分量的方向(以下簡稱為“水平地”或“在水平方向上”)移動潛水部件。在本領域和本申請中可互換使用術語“翼”和“翅片”。
在海洋或湖泊中定位感測器和設備很長一段時間而既不使用燃料也不依賴可能是非常大的並難以維持的錨線是合乎期望的。近年來，已經證明了由Liquid Robotics,Inc.開發和在Wave Glider®注冊商標下銷售的WPV有很大的價值，特別是因為它們的自主工作能力。值得注意的是，Wave Glider®WPV其簡化形式通常稱為Wave Glider。
實施方式提供了可適配模組化電力系統，通常被稱為AMPS(可適配模組化電力系統)。雖然AMPS為Wave Glider®的下一代電力系統，但可以在任何自主水設備中使用。AMPS被設計為提供相對大量的電力到各種儀器和感測器，所以幾乎任何儀器或感測器可以被集成到該設備(從電力的角度來看)。高電力感測器和儀器的例子包括軟體定義的無線電接收器和收發器，SONAR系統和BGAN衛星系統。這些類型的感測器可以用最小量的電子裝置的設計工作，通過再利用電力模組來有效地電集成到系統中。
在本發明的一個方面，一種用於自主水設備的電力系統包括：具 有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；以及多個模組，其稱為AMPS模組，每個AMPS模組被耦合到所述電力匯流排。所述多個AMPS模組被分佈在空間上分離的多個電力域，並且所述電力匯流排跨越所述多個電力域。
至少一個電力域包括AMPS模組，該AMPS模組是具有用於耦合電負載到所述消耗件電壓線的電路的消耗件模組；至少一個電力域包括AMPS模組，該AMPS模組是具有用於耦合電源到所述發生器電壓線的電路的發生器模組；以及每個電力域包括AMPS模組，該AMPS模組是橋接模組。每個電力域包括AMPS模組，該AMPS模組是具有電路的橋接模組，該電路用於：耦合到所述發生器電壓線和消耗件電壓線；耦合在電力域中的所述電力匯流排到不同的電力域；向不同的電力域提供傳輸信號(通信邏輯信號)；以及限制在相應的發生器電壓輸出線和消耗件電壓輸出線上的外出電流。
在本發明的另一個方面，用於自主水設備的電力系統，其包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；以及多個模組，其稱為AMPS模組，每個AMPS模組被耦合到所述電力匯流排。所述AMPS模組包括至少一個模組，該至少一個模組是具有用於耦合電負載到所述消耗件電壓線的電路的消耗件模組，或是具有用於耦合所述電源到所述發生器電壓線的電路的發生器模組。
在本發明的另一個方面，用於自主水設備的電力系統，所述系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；以及多個模組，其稱為AMPS模組，每個AMPS模組被耦合到所述電力匯流排。AMPS模組包括以下模組中的至少一個模組：
具有用於耦合電負載到所述消耗件電壓線的電路的消耗件模組；或 具有用於耦合電源到所述發生器電壓線的電路的發生器模組；或 具有用於耦合到所述發生器電壓線電路以給能量源充電的電路以及用於耦合到所述消耗件電壓線以返回儲存的能量給所述消耗件電壓線的電路的能量存儲模組。
在本發明的另一個方面，用於自主水設備的電力系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；以及多個模組，其稱為AMPS模組，每個AMPS模組被耦合到所述電力匯流排。所述AMPS模組包括具有用於耦合電負載到所述消耗件電壓線的電路的至少一個消耗件模組。
在本發明的另一個方面，用於自主水設備的電力系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；以及多個模組，其稱為AMPS模組，每個AMPS模組被耦合到所述電力匯流排。所述AMPS模組包括用於耦合電源到所述發生器電壓線的電路的至少一個發生器模組。
在本發明的一個方面，用於自主水設備的電力系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；以及多個模組，其稱為AMPS模組，每個AMPS模組被耦合到所述電力匯流排。所述AMPS模組包括具有耦合到所述發生器電壓線和消耗件電壓線以及限制在相應的發生器電壓輸出線和消耗件電壓輸出線上的外出電流的電路的至少一個橋接模組。
在本發明的實施方式中，所述電力系統包括攜帶所述電力匯流排的底板和包括多個連接器，其中：所述多個連接器被佈置在網格上；所述AMPS模組通過與所述底板上的所述連接器嚙合被耦合到所述電力匯流排；以及所述AMPS模組在具有與所述網格間距相容的尺寸的電路板上實現。
在本發明的實施方式中，所述電力系統包括攜帶所述電力匯流排的無源底板，其中：複雜的電子電路在所述AMPS模組上實現；以及所述電力匯流排的高電力路徑在所述底板上實現。
在本發明的實施方式中，所述成組的AMPS模組包括電池控制模組。
在本發明的實施方式中，所述電力系統包括多個電力域，每個電力域具有不同的底板。
在本發明的實施方式中：所述AMPS模組被分佈在多個電力域；以及所述AMPS模組包括用於每個電力域的電力網域控制站。
在本發明的實施方式中：所述AMPS模組被分佈在多個電力域；以及每個電力域包括用於耦合在該電力域中的所述電力匯流排到不同的電力域的橋接模組，所述橋接模組還給不同的電力域提供傳輸信號(providing signaling)。
在本發明的實施方式中：第一電力域位於自主水設備的船體上；以及第二電力域位於水下面的結構上，並通過水下纜線耦合到所述第一電力域。
在本發明的一些實施方式中，所述不同的電力域位於分開的防水有效載荷箱，以及所述電力匯流排和傳輸信號(signaling)利用防水纜線在電力域之間通信。
在本發明的具有能量存儲模組的實施方式中，所述能量存儲模組可以是具有電路的電池充電器模組，所述電路用於：耦合到發生器電壓線以對電池進行充電；以及耦合到所述消耗件電壓線或耦合電池電壓到所述消耗件電壓線。
在本發明的實施方式中，所述底板是無源的。複雜的電子電路在所述模組上實現，並且高電力路徑在所述底板上實現。
應當認識到，根據本發明的上述方面或實施方式中的任何一項所述的電力系統可以與電負載、電源、或能量存儲裝置進行組合。
在本發明的一個方面，電公連接器包括：絕緣外殼；從所述外殼沿基本平行的方向伸出的多個導電引腳；以及從所述外殼退回(receding)的纜線。所述公連接器被配置成可逆地嚙合母連接器，所述母連接器包括多個引腳接收部件；所述公連接器的所述引腳中的每個被配置為當所述母連接器通過所述公連接器嚙合時，使在所述纜線中的不同的線路與所述母連接器中的引腳接收部件電連接。根據應用的情況，所述引腳中的至少三個被配置為傳導電力，並且所述引腳中的至少三個被配置為傳導邏輯信號。
在本發明的另一個方面，電母連接器包括：絕緣性配合表面；在所述配合表面中的多個引腳接收部件，所述配合表面包括絕緣材料的通道和所述通道內的導電表面；以及從所述配合表面退回的多根線路，每根連接到在不同的引腳接收部件中的導電表面。所述母連接器被配置成可逆地嚙合包括多個導電引腳的公連接器，從而將所述引腳中的每個與所述母連接器的不同線路電連接。所述母連接器的所述接收部件中的每個被配置為當所述母連接器通過所述公連接器嚙合時，使所述纜線中的導體與所述母連接器中的引腳接收部件電連接。根據應用的情況，所述接收部件中的至少三個被配置為傳導電力，並且所述接收部件中的至少三個被配置為傳導邏輯信號。
在本發明的實施方式中，所述引腳或接收部件以非對稱方式佈置，使得當所述公連接器嚙合所述母連接器時，在所述公連接器上的每個引腳電連接到所述母連接器上的預定的接收部件。
在本發明的實施方式中，所述公或母連接器被配置為當所述公連接器插入到所述母連接器時，在被配置為傳導邏輯信號的所述引腳電連接至被配置為傳導邏輯信號的所述接收部件之前，被配置為傳導電力的所述引腳電連接到被配置為傳導電力的所述接收部件。
在實施方式中，所述公或母連接器包括被配置為傳導電力的三個 引腳或接收部件，其中一個連接電力消耗線，其中一個連接電力發生線，並且其中一個是接地線。
在本發明的實施方式中，所述公或母連接器被配置有以同心圓圖案佈置的引腳或接收部件。被配置為傳導電力的三個引腳或接收部件在最外面的圓上組合在一起，並有比配置用於傳導邏輯信號的引腳或接收部件的直徑明顯較大的直徑。
在本發明的實施方式中，特別是在所述纜線和連接器在潮濕的環境下使用時，例如在自主水設備中使用時，所述公或母連接器被配置為當公連接器與所述母連接器完全嚙合時與其它連接器形成防水密封部(waterproof seal)。
在本發明的實施方式中，在所述公連接器上的所述引腳包括包層該包層從所述外殼延伸在中途向下到所述引腳，並且該包層的尺寸和形狀設置成與在所述母連接器上的相應的所述接收部件接觸並形成防水密封部。所述包層的尺寸和形狀設置成當兩個所述連接器完全嚙合時與所述母連接器上的相應的所述接收部件接觸並形成防水密封部。可以以這種方式配置傳導電力的引腳中的部分或所有，以及用於傳導邏輯信號的引腳中的部分或全部。可替代地，或額外地，所述公連接器的外殼和/或所述母連接器的所述配合面可以配置有墊圈或環，當兩個所述連接器完全嚙合時墊圈或環可逆地密封所述公連接器至所述母連接器。
在本發明的另一個方面，如上所述的公連接器和如上述的母連接器共同構成了連接器系統。電力系統包括通過所述連接器系統相互連接的一個或多個有效載荷箱。
在本發明的另一個方面，用於耦合由自主水設備攜帶的有效載荷箱之間的三線電力匯流排的方法包括耦合如上所述的公連接器與如上所述的母 連接器。
本發明的另一個方面是一種用於安裝模組化的基於AMPS的有效載荷箱到自主設備的方法。一種新的有效載荷被設置在如上所述的水設備中的安全位置。如上所述的公連接器被插入如上所述的母連接器或與如上所述的母連接器耦合，以便使通到所述公連接器的線路與通到所述母連接器的線路進行電連接。本發明的另一個方法是通過連接所述裝置中的線路與公連接器的引腳或母連接器的接收部件來調整與本發明的電力系統交互的電氣裝置的方法。該連接器可以在如上所述的任何兩個或多個裝置、部件、電力域、或船舶之間使用以成為AMPS電力系統的一部分。
實施方式提供了可適配的模組化有效載荷箱系統，這使得它對於各種構造更容易配置和重新配置WPV(或其他水自主設備)。由於這些設備更廣泛的應用，客戶往往希望定制所述設備用於自己的目的。
在本發明的一個方面，自主水設備的模組化有效載荷系統包括船體和多個有效載荷箱。所述船體具有縱向軸線，並形成有凹部，該凹部在區域上縱向延伸，其中所述凹部的下部的橫截面沿該區域是不變的。有效載荷箱的尺寸設置成適合裝配到所述凹部，並沿所述縱向軸線分佈。每個有效載荷箱的下部分的橫截面被配置為與所述凹部的所述下部互補。
在本發明的一實施方式中：所述多個有效載荷箱包括第一和第二有效載荷箱；以及所述第一有效載荷箱具有所述第二有效載荷箱的縱向尺寸的整數倍的縱向尺寸。
在本發明的一實施方式中，至少第一和第二有效載荷箱具有互補地定位的外部電連接器，以允許跳線纜線串聯連接所述有效載荷箱。
通過參考說明書的其餘部分和附圖可以實現對本發明的本質和優點的進一步理解，本說明書和附圖其意圖是示例性的而非限制性的。
10‧‧‧波能水設備
15‧‧‧漂浮部件
20‧‧‧潛水部件(滑翔部件)
25‧‧‧系鏈
30‧‧‧排水船體
35‧‧‧固定龍骨翅片
40‧‧‧船舵
45‧‧‧翼(翅片)
50‧‧‧機架
55‧‧‧太陽能板
60‧‧‧電力匯流排
65‧‧‧發生器模組
70‧‧‧消耗件模組
75‧‧‧存儲模組
80‧‧‧操作模組
85‧‧‧橋接模組
90‧‧‧AMPS模組
90_BCC‧‧‧電池充電控制器模組
90_BRI‧‧‧橋接模組
90_LS‧‧‧負載開關模組
90_PDC‧‧‧電力網域控制站模組
90_Reg‧‧‧13.4V穩壓器模組
90_SIM‧‧‧太陽能輸入模組
95‧‧‧底板
95A‧‧‧底板
95B‧‧‧底板
100‧‧‧插孔插座
105‧‧‧電力域
105A‧‧‧電力域
105B‧‧‧電力域
110‧‧‧主機
115‧‧‧設備控制電腦
120‧‧‧防水連接器
125‧‧‧天線
130‧‧‧外部感測器
135‧‧‧通信介面
140‧‧‧電池(組)
145‧‧‧有效載荷處理電腦
150‧‧‧內部感測器
155‧‧‧低功耗微控制器(STM32L1xx)
160‧‧‧穩壓器
165‧‧‧特定模組電路
170‧‧‧LTC1760充電控制器
175‧‧‧降壓穩壓器
180‧‧‧降壓-升壓穩壓器
185‧‧‧測量元件
190‧‧‧負載開關
195‧‧‧限流器和監控功能塊
200‧‧‧CAN中繼器
205‧‧‧有效載荷箱
210‧‧‧有效載荷箱
215‧‧‧有效載荷箱
GND‧‧‧地
VCONS‧‧‧電力匯流排導體
VPROD‧‧‧電力匯流排導體
BCC‧‧‧電池充電控制器模組
BRI‧‧‧AMPS橋模組
PDC‧‧‧電力網域控制站模組
SIM‧‧‧太陽能輸入模組
圖1是顯示當波抬起漂浮部件(上行衝程)，並且當WPD沉入波谷(下行衝程)時，現有技術的波能設備(“WPV”)在靜止水(在中立位置的翅片/翼)中操作的示意圖；圖2是在本發明的一實施方式的顯示連接AMPS模組和電力域的三芯電力匯流排的電氣示意圖；圖3是在本發明的一實施方式中顯示不同類型的模組如何接入連接AMPS模組和電力域的三芯電力匯流排的電路示意圖；圖4示出了位於形成電力域的成組的互連底板中的成組的AMPS模組；圖5A是具有容納五個模組的槽的AMPS底板的格式化的俯視圖；圖5B是具有容納16個模組的槽的AMPS底板的格式化的俯視圖；圖6是描述多個電力域的層級結構的框圖；圖7A和7B合在一起顯示可部署在自主水設備中的兩個電力域的例子；圖8示出用於輔助電池組的電力域的例子；圖9示出由5個電池充電控制器模組填充並連接到CCU底板的底板；圖10是描述了用於AMPS模組的通用控制體系結構的框圖；圖11是電力網域控制站(“PDC”)模組的框圖；圖12是電池充電控制器(“BCC”)模組的框圖；圖13是太陽能輸入模組(“SIM”)的框圖； 圖14是13.4V穩壓器模組的框圖；圖15是負載開關模組的框圖；圖16是橋接模組的框圖；圖17是公(male)電連接器的上部透視圖，其中引腳或插腳設置為可操作且可逆地與相應的母(female)連接器嚙合或耦合，從而可操作地連接有效載荷箱到另一有效載荷箱、控制中心、或電支撐結構；圖18A是本發明的公電氣連接器的上部透視圖，其中可選包層在中途向下到引腳，以幫助與相應的母連接器形成水密封部(water tight seal)；圖18B是公電連接器的側面正視圖；圖19是本發明的母電連接器的上部透視圖，其具有被配置為可操作地和可逆地與相應的公連接器嚙合或耦合的插座孔；圖20A和20B每一個是示出用相應的引腳和插座孔配置讓公連接器與母連接器配對的本發明的一個方面的透視圖；圖21是示出其中公連接器通過將公連接器的引腳插入母連接器的相應的插座孔而可操作地與母連接器嚙合或耦合的本發明的一個方面的透視圖；圖22是使AMPS電力域與本發明所述的公連接器互連的纜線的縱向視圖，該公連接器的每一端適於插入與相同的引腳圖案匹配的母連接器；圖23A是公連接器的外殼的跨越平面(引腳從該平面突出)的橫截面或表面示圖，顯示了引腳的基部附近的絕緣包層，其與母連接器的相應的接收部件形成防水密封部；圖23B是顯示圖23A所示的引腳配置的引出線佈置的表；以及圖24是在外殼內的電氣線路的示意圖；圖25A和25B是WPV船體和模組化有效載荷箱的當前實施方式 的分解圖； 圖25C和25D顯示了WPV船體和模組化有效載荷箱的其他視圖；圖26A是從構造成容納WPV的命令和控制單元(“CCU”)電子電路的模組化有效載荷箱的前部的透視圖；圖26B是在圖26A中所示的CCU有效載荷箱的正視圖；圖26C和26D是在圖26A中所示的CCU有效載荷箱的上半部分和下半部分的透視圖；圖26E和26F是在圖26A中所示的CCU有效載荷箱的下半部分的正視圖和側視圖；圖27A示出了被配置為容納電池組的模組化有效載荷箱；圖27B和27C是在圖27A中所示的電池有效載荷箱的上半部分和下半部分的透視圖；圖27D和27E是在圖27A中示出的電池有效載荷箱的下半部分的正視圖和側視圖。
本申請要求以下美國專利申請的優先權：
於2014年3月16日提交的，名稱為“Adaptable Modular Power System(AMPS)”(發明人為John M.Brennan,Casper G.Otten，和David B.Walker)的美國申請No＿＿＿；於2014年3月16日提交的，名稱為“Modular Payload Boxes and Autonomous Water Vehicle Configured to Accept Same”(發明人為Timothy James Ong和Daniel Peter Moroni)的美國申請No＿＿＿；於2013年4月8日提交的，名稱為“Adaptable Modular Power System(AMPS)and Dedicated Connector”(發明人為John M.Brennan,Casper G.Otten，和David B.Walker)的美國申請No.61/809,713；於2013年3月15日提交的，名稱為“Adaptable Modular Power System(AMPS)”(inventors John M.Brennan,Casper G.Otten，和David B.Walker)的美國申請No.61/800,514；以及於2013年3月15日提交的，名稱為“Modular Payload Boxes and Autonomous Water Vehicle Configured to Accept Same”(發明人為Timothy James Ong和Daniel Peter Moroni)的美國申請No.61/801,622。
基於所有的目的，所有上述申請的全部內容(包括任何附件)，在此通過引用的方式併入到本申請中。
自主水設備概述：
圖1為顯示波能水設備10的三個圖像的側視圖。該設備包括位於水表面上的“漂浮部件”15，和懸掛在下方的“潛水部件”或者“滑翔部件”20，其被系鏈25懸掛著。該漂浮部件15包括排水船體(displacement hull)30和固定龍骨翅片35。所述潛水部件包括用於導向的船舵40和連接到機架50的中心梁(central beam)的“翼”或者“翅片”45以便允許所述翅片在限定的範圍內圍繞橫軸(transverse axis)旋轉，並提供推進力。設備10在其上表面上攜帶一些太陽能板55，以將電力提供到船舶中，這將在下面詳細描述。
在靜止的水中(如最左邊的畫面所示)，水中的潛水部件20通過所述系鏈25直接水平地懸掛在漂浮的所述漂浮部件15下方。當波浪使該漂浮部件15升高時(中間的畫面所示)，在系鏈25上產生一向上的力，該力拉動潛水部件20穿過水向上運動。這使得在所述潛水部件的翅片45被連接到所述機架50的情況下，所述翼圍繞所述橫軸旋轉，並且呈向下的傾斜狀態。當水被迫向下穿過所述潛水部件時，所述向下傾斜的翼產生向前的推力，並且所述潛水部件向前拉動所述漂浮部件。在波浪達到頂峰之後(如最右邊的圖所述)，所述漂浮部件降入到低谷。所述潛水部件也下沉，因為其比水重，所以在系鏈上保持著張力。所述翼以相反的方向繞所述橫軸旋轉，呈向上傾斜的狀態。當水被迫向上穿過所述潛水部件時，該向上傾斜的翼產生向前的推力，並且該潛水部件再一次向前拉動漂浮部件。
因此，當潛水部件上升以及當潛水部件下降時，該潛水部件都產生產生向前推力，從而導致整個設備的前進運動。
可適配模組化電力系統(“AMPS”)概述：
自主水設備能夠攜帶用於進行長期觀測在世界海洋中的各種度量值(metrics)的儀器。有用的海洋儀器通常需要電力用於它們的操作。由於任務的持續時間長以及平臺的尺寸有限，因而整個系統的電力資源是有限的。因此，需要有效的方法來收集和分配電能。此外，感測器的電力要求可能變化很大，且電力系統要適應這些需求。
防水連接器用於使不同的儀錶集群互連。這些集群容納在單獨的乾燥箱外殼(有時也被稱為有效載荷箱)中，以儘量減少可能的洩漏的影響。這些防水連接器是昂貴的，所以應儘量減少這種類型的連接器的數目。最後，感測器可以很容易地添加到該平臺是合乎期望的。此外，感測器和執行器可以駐留在潛水部件上，容納在臍管中的導體提供漂浮部件和潛水部件之間的電連 接。
有效載荷箱可以包含船舶的指揮和控制單元(“CCU”)、客戶提供的電子裝置和輔助電源組(如電池組)。如下面將要描述的，這些有效載荷箱可以是模組化的，以方便船舶電子裝置的快速配置和重新配置(例如，升級)。有效載荷箱的這種模組化對於AMPS操作不是必須的，並且相對於由AMPS提供的模組化類型是單獨類型的模組化。
總之，AMPS提供了成組的模組，該些模組使電源、能量儲存裝置以及負載(用電器件)連接到三芯電力配電匯流排(通常簡稱為“電力匯流排”)，從而使電力可被有效地收集、存儲和分配。在一個給定的系統中，AMPS模組可以而且經常被分為稱為電力域的組。這種劃分可以類似于在水設備上的系統元件的功能劃分。例如，單獨的有效載荷箱中的功能元件的部署可導致用於這些功能元件的AMPS模組相應映射到獨立的電力域。
電力域中使用的模組的集合決定了它的功能。用不同的模組執行的功能的實例是：太陽能充電控制；電力域控制；電壓調節；電池充電；和電力域橋接。
每個模組具有內置的智慧來執行其功能。
目前AMPS的實現方式是使用14.4V(4S)的鋰離子電池、具有24V(19V的最大電力點(MPP)電壓)的開路電壓的太陽能板和額定電流為10A的I/O連接器設計的。因此，設計本系統以將最高的240W傳輸到其他器件(標稱140W)。增大電池的標稱電壓(太陽能板的MPP電壓必須增大)， 和/或增大連接器的額定電流會增大系統的電力容量。例如，使用28.8V電池的系統(具有35V的太陽能板)和20A的連接器將能夠名義上傳輸576W。簡單地增加額外的電池和太陽能板就增大了系統的能量存儲容量。
AMPS的另外一個特點是對單個感測器或儀器的能量監測。監測單個元件使使用者能夠找出感測器是否吸走太多(或太少)電力的問題，並且還提供給用戶特定感測器所消耗的電力的精確資訊。該資訊使占空比和儀器接通持續時間能由感測器和設備操作者明智地計畫。
AMPS電力匯流排和匯流排接入通道(access)：
圖2是示出在本發明的實施方式中連接AMPS模組和電力域的三芯電力匯流排60的簡化電路示意圖。電力匯流排60的三個導體被標示為VPROD、VCONS、和地(或GND)。該圖顯示了單一的電力域，並顯示了發生器模組65、消耗件模組70、存儲模組75、操作模組80和橋接模組85中的每個的單個實例。給定的電力域可具有這些類型中的多個類型，或者可以具有比所有這些類型較少的類型。模組的名稱(designation)表明該模組接入電力匯流排60的方法，而一些模組可以執行一種以上的類型的接入。
圖3是示出在本發明的實施方式中不同類型的AMPS模組如何接入電力匯流排60的簡化的電路示意圖。在此圖中，所有的二極體是理想的(它們沒有正向電壓)。請注意，AMPS模組的實現方式可以結合圖中示出的任何接入方法。
發生器接入通道(access)從電源接受電力，必要時將該電力轉換成可用的形式，然後傳送(impress)所收集的電力到標有“VPROD”的匯流排信號。雖然通常的電源是成組的太陽能板，但所述電源還可以包括例如外部壁式充電器、燃料電池、或振動能量發電機之類的源。當系統被關閉，發生器接入通道應該被禁用以防止系統意外啟動。
消耗件接入通道從標有“VCONS”的匯流排信號獲得能量，必要時轉換該能量，然後將其提供給負載。消耗件的例子包括運行系統以及感測器的電子裝置。
記憶體接入通道(通常是電池)從VPROD獲得過多的能量並將其存儲以供以後使用(例如充電電池)。當需要時返回此儲存的能量到VCONS(例如放電電池)。當系統被關閉時，記憶體接入通道應該禁用VCONS以防止意外啟動。很明顯，根據二極體的組合，電池可能只能通過存在於VPROD上的能量充電，並沒有能夠從一個電池充電到另一個電池的路徑。
操作接入通道從VPROD獲得能量，並將其引導到VCONS。以這種方式，從發生器接入通道收集的輸入能量首先用於為系統供電，並且只有過剩的收集能量被儲存以備後用。因為它避免充電/放電損失，所以這是更有效的。
電橋接入通道提供電力域之間的雙向的電流受限的切換的電力傳輸。在VPROD和VCONS上的電流受限是必要的，以保護使電力域互連的連接器免受過電流條件下的潛在的破壞。雙向接入是必要的，這樣在任何電力域中任何接入類型是允許的。電力域隔離可以保護AMPS避免下游AMPS域中的洩漏造成的損壞。電橋接入通道應該禁止接受來自VCONS和VPROD的電力，以防止意外的系統啟動。
當能量輸入少於運行負載所要求的能量時，操作接入通道的二極體允許發生器為負載以及電池供電。使用記憶體接入通道的二極體的雙重佈置使得這樣的電池僅使用用於運行該系統的過剩能量充電。如果建立短路VPROD和VCONS的系統，從而形成2芯匯流排，則想像讓低容量的電池從較高容量的電池充電這樣的情況是簡單的。因為會發生兩次充電/放電損失，所以這樣的方案是低效的。雖然這些情況可以通過禁止對低容量電池充電經由軟體操作予以 糾正，但三芯電力匯流排通過其拓撲結構避免了這些效率低下，導致更簡單更穩健的系統。
AMPS模組/底板和電力域：
雖然AMPS能夠支援多種類型的模組，但當前的實施方案使用在下表中闡述的模組類型：
AMPS是以兩種方式分層級的。圖4示出了佔據構成電力域的成組的互連的底板95的成組的AMPS模組90，這樣示出了第一類型的層級結構。更具體地，如圖4所示，單個AMPS模組在底板或底板組95上並行連接，以形成電力域。這些模組包括具有共同的橫向尺寸的可以被稱為基礎大小模組(或簡單的基礎模組)的模組，並任選包括更大的模組。有時，AMPS模組由帶有表示特定種類的模組的尾碼的參考號90來指稱。例如，BCC模組可能被稱為“模 組90_BCC。”
每個基礎模組以相同的尺寸進行物理設計，且底板連接器被放置在相同的位置上。這使得任何模組能裝入底板的任何位置。需要比可以裝在基礎模組上的電路多的電路的更複雜的模組可以使用電路基板來實現，該電路基板的大小與由多個基礎模組所佔據的面積是一樣的。這在圖4顯示為“單寬”模組90(sw)和“雙寬”模組90(dw)。值得注意的是，所謂的雙寬模組的寬度可以達到基礎模組的寬度的兩倍加上底板上的模組間距的寬度。雖然具體尺寸不是本發明的一部分，但具體的實施方案使用的是1.90英寸寬乘3.4英寸高(按圖中所示的方位)的基礎模組，模組被放置在二維陣列中，水平隔開2英寸(50.8毫米)，垂直隔開3.5英寸(99.9毫米)。
模組還設計成使得模組提供所有有源電子元件，並且底板是純無源電路。不同類型的模組可以插入相同的底板中，形成具有可配置功能的系統。該方案促進了設計重用。不是所有電力域範圍內的模組直接連接到所有三個導體；有的模組只連接到VPROD和GND，而其他模組只能連接到VCONS和GND。然而，為了使底板真正通用，使得任何類型的模組可以插入到底板上的任意插槽中，所有的底板連接器可以配置有連接到所有的三個導體的引腳(或插座)。然後，任何模組將能夠連接到其功能要求的任何導體。
由於底板是簡單的和無源的，所以它們不需要複雜的模組電路所需的嚴格的設計規則，因此較厚的銅可用於底板上，從而提高了系統的電流容量。甚至可以通過使用在底板上的匯流條進一步增大電流容量。根據應用的不同，AMPS底板可以具有任何所需的尺寸。例如，輔助電池組中使用的底板可以提供有五個槽，以容納5個單寬電池充電控制器模組。另一方面，在支撐設備的命令和控制單元(“CCU”)的電子裝置中使用的底板可以提供16或20個槽以容納各種模組。
圖5A和5B是具有槽的分別容納五個模組和16個模組的AMPS底板95A和95B的格式化的頂視圖。底板周邊內的虛線網格劃定分配給各個模組的區域。如上面提到的，雙寬模組將佔據兩個這樣的區域。每個模組區域內顯示的是被配置成接收相應的公連接器的兩個插槽，用於AMPS邏輯信號的20-插孔插座100(20)，和用於AMPS 3芯電力匯流排的3-插孔插座100(3)。它們顯示為分開以保持邏輯信號遠離電力連接器，邏輯信號將需要頂部銅層的大部分。雖然示出兩排邏輯連接器，但也可以使用單排連接器。優選的，但不是必需的，該模組具有公連接器(引腳)，而底板具有互補的母連接器。
圖6是描述了多個電力域105的層級結構並同樣示出了第二種類型的層級結構的框圖。更具體地，如圖6所示，一個或多個AMPS電力域可以使用分層樹拓撲結構相互連接。如下面將要討論的，提供普通的電力線和信號線以將電力域互連。因為在漂浮部件中的電子裝置是它自己的電力域，所以相同的連接器可用于臍管。典型地，但不是必須地，每個有效載荷箱將是單個電力域。可以看到，頂層電力域包括主機110，並且每個電力域包括電力域控制(“PDC”)模組90_PDC。
主機110制定所有系統範圍的電力使用方案(如當後備電池電量低時關閉電路)，生成請求/查詢(狀態，配置，資料)，處理配置、狀態和資料，以及回應報警。在每個電力域中主機與PDC通信，以優化系統性能和成本，從主機到PDC的通信介面和從PDC到該PDC的電力域中的其他模組的通信介面是不同的。雖然AMPS的最新設計依賴于單一的主機，但設計允許在將來的某個時間可以提供多個或冗餘主機。
主機110是AMPS的外部實體，其既依賴於AMPS又給AMPS提供方向。它通常位於AMPS硬體(AMPS模組和底板)的物理意義上的外部，但沒有什麼會阻止主機被安裝在AMPS底板中的一個上。主機需要AMPS來給 它以及它的感測器和儀錶供電。它通過冗餘CAN介面和相應的通信協定實現供電。主機是具有管理AMPS的附加責任的計算元件。因此，它可以作為在負責其他功能的計算器件上運行的軟體實施。在當前的實施方案中，主機被併入作為所述設備的CCU電子裝置的一部分的設備控制電腦中。
示例說明一個PDC在每個電力域範圍內執行介面和協定轉換。PDC充當作主機110和執行AMPS系統的實際功能的模組之間的仲介。PDC監控域的健康，收集和合計每配置的資料，列舉模組，接收/轉發配置和狀態，回應查詢(狀態配置，資料)，並回應/轉發報警。在下面的章節中將更詳細描述PDC。
因為該電力域穿過苛刻的海水環境相連，因而電絕緣外部電力域是合乎理想的。電力和控制信號均通過稱為電橋的另一特殊模組90_BRI切斷電力和通信來隔離。將在下面的章節中更詳細描述電橋。為簡單起見，電橋顯示為與PDC直接通信，但每個域在每次與另一個域連接時通常有電橋，所以通信是從電橋到電橋的。
AMPS模組使用兩種類型的匯流排在電力域內連接：3芯配電匯流排(VPROD、VCONS和GND)和控制匯流排，簡稱AMPS控制匯流排。此外，AMPS電力域使用不同的介面連接在一起。將在下面描述這些部件。
圖7A和7B，合在一起，顯示了兩個電力域105A和105B作為可在自主水設備中部署的例子。每個域具有讓各種AMPS模組安裝在其上的一個或多個AMPS底板95。圖7A中的域表示了設備的CCU而圖7B中的域表示任意有效載荷。與每個域相關聯的是一個或多個非AMPS元件，它們是由AMPS域提供服務的功能元件。
圖7A中的域是頂層域，並且包括主機，該主機被實現為設備控制電腦115的一部分。域經由防水連接器120連接到太陽能板55、天線125和外 部感測器130。也顯示為域的一部分是通信介面135和電池組140。
這些模組包括連接到設備控制電腦(主機)的PDC、連接到太陽能板55的太陽能輸入模組(SIM)、連接到電池140的電池充電控制器模組(BCC)、提供電力到該域的功能部件的一些13.4V穩壓器模組、以及連接到擴展埠的一個或多個橋接模組。
圖7B中的域並非頂層域，沒有主機，但包括有效載荷處理電腦145。域經由防水連接器120連接到成對的太陽能板55，以及外部感測器130。也顯示為域的功能元件的一部分是內部感測器150和電池組140。這些模組參照(along the linesof)在圖7A中的域的模組分佈方式分佈。
圖8示出用於輔助電池組的電力域105的例子。該功能元件是10個電池140，其由5個BCC模組來控制充電和放電。如上述，域包括PDC和連接到擴展埠的橋接模組。
圖9在右側示出了10電池組，例如圖5A的底板95之類的5槽底板，和安裝在底板上的5個電池充電控制器模組90_BCC。電池底板95A顯示連接到圖左側的16槽CCU底板(例如在圖5B的底板95B)。這兩個底板通過如前所述延長AMPS控制匯流排的普通佈線互連。
因為電池在與該CCU所佔用的電力域相同的電力域(並且位於相同的有效載荷箱)，所以就沒有必要使用特殊的防水纜線。在另一方面，如果電池和電池充電控制器模組分別部署在單獨的專用於提供輔助電池電力的有效載荷箱中，則內部佈線將與包含其他模組(例如，橋接模組和PDC)的小底板通信，而信號會被通信到用於纜線的面向外部的防水連接器。
AMPS模組控制：
圖10是描述用於AMPS模組的通用控制體系結構的框圖。所有的AMPS模組被推定為受微處理器控制。微控制器的功能優選包括： 查詢模組，以識別資料，如模組位置、模組類型、部件識別字和序號；啟用和禁用輸出或其他模組的特定功能；獲取詳細的用電量或產生統計資料；和報告異常情況給控制器。
為了支援這些功能，需要以下電路元件：用於每個模組以確定其在底板的位置的機構；PDC和模組之間的通信機構；將異常(警告)狀態報告給PDC的機構；和低功耗運行機構。
圖10的實施方式表示滿足這些要求的一種方法。低功耗微控制器(STM32L1xx)155由3.3V穩壓器160供電，3.3V穩壓器160由VCONS供電。請注意，所有模組使用消耗件接入通道(access)來接入AMPS匯流排以對這些模組進行基本控制。根據模組功能的情況，它的特定模組電路165可以或可以不使用消耗件接入通道。在大多數情況下，由微控制器和相關的邏輯吸取的電流比測量該量所需的電流小，所以該量可以通過表徵來解釋。微控制器監督模組具體電路的操作，其可包括監控功能，或啟用和禁用電路元件。
該模組通過2芯RS-485介面通信到其PDC模組90_PDC(如下所述)。在這個系統中，PDC是主模組，而所有其他模組是從模組。使用這種方法，到所有模組的通信信號可以並聯連接，並需要主機的UART。這些模組也可以用其它點對多點的通信介面，如I2C或CAN，或者甚至無線通訊，諸如802.15.4或藍牙LE。在當前的實施方案中，選擇RS-485是因為它的簡單、它使用差分信號以減少雜訊的影響、以及以16384bps的相對較低的位元速率適當利用低電力驅動器時它的低功耗的特性。
該模組位址標識模組在底板上的位置。明確地分配唯一的模組識別符到每個模組，並確保適當的模組位於底板中適當的插槽中是合乎期望的。做到這一點最簡單的方法是使用來自微控制器的n個I/O信號的集合，並選擇性地將信號的子集接地，並留下互補的子集浮動。微控制器可以檢測哪集合的信號接地，並確定高達2n個不同的位址。也可以採用更複雜的方案，諸如3層邏輯(接地、浮置、或連“高”)，以增加複雜性為代價減少所需的定址線的數目。
在不可恢復的錯誤的情況下每個模組可以從主機獨立地重置。由於這些錯誤事件被認為是罕見的，因此所有的模組重置連接在一起，這樣所有模組會在同一時間重置。因為差分信號的抗雜訊，所以選擇差分信號用於此功能。
模組警報是由單一的ESD保護的NFET發出，NFET下拉由主機檢測到的信號。單端發出信號被認為是足夠的，因為少數假陽性(由雜訊所引發的)將是無害的。在更嘈雜的環境中，採用CAN匯流排收發器可以更穩健地實現這個功能。
電力域是通過由開關控制的通/斷控制信號(SYSOFF)來斷開。通/斷開關始終是接地的短接式連接器，以便導通時該信號是0V，並且斷開時是>5V。當電力域是斷開的時，沒有發生器可以給VPROD供電，沒有能量存儲裝置可以給VCONS供電，並且沒有電橋可以接受任何電力。具有發生器或記憶體接入通道的任何電力域應該有電源開關，以防止意外啟動。PDC可持有低的SYSOFF信號持續很短時間，以使系統能保持啟動直到主機關機。
連接到外部電力域的PDC的任何電橋應能關閉通到下游的電力域的CAN介面。這是因為在1對CAN導線上的短路可導致整個CAN網路不能工作。因為每個電橋需要接入CAN匯流排，所以在使用在底板上的成對信號的 系統中CAN匯流排被擴展到每個模組。
因此，連接所有的模組的並行控制匯流排包括以下信號：用於模組位址接地或保持浮置的8個信號；用於主機到模組通信的兩路信號(差分)；用於由主機指揮的模組重定的兩路信號(差分)；表示模組警報條件的一個單端信號(開漏)；一個系統電力信號(SYSOFF)；和兩個CAN信號(如果使用冗餘CAN，則4個CAN信號)。
在最簡單的實施方式中，電力域將使用與那些使模組互連的信號相同的信號互連。這是有問題的，原因有幾個。首先，它要求很多的信號。由於電力域通常是通過防水連接器連接的，因而信號的數量需要最小化。第二，連接電力域的地址必須被修改，以便它們不與任何其它電力域中的地址衝突。這將意味著，在一般情況下，在不修改一個電力域或另一電力域的情況下，人們不能簡單地連接一個電力域到另一電力域。避免此類複雜性和成本的另一種方法是必要的。
電力域之間為全雙工通信的情況下，警報可以跨電力域非同步產生以消除報警信號。此外，重定信號可以通過命令產生以消除重定信號的需要。適合的常用全雙工通信標準包括I2C，RS-232，RS-422，或CAN。也可以採用無線標準，如802.11.15或藍牙LE。RS-422和I2C(當以差分形式實現時)都需要四芯線來實現，剩下RS-232和CAN作為剩餘可行的候選。通過利用橋接模組(將在後面討論)上的CAN中繼器用於電氣隔離，整個電力系統在邏輯上是單個CAN網路。使用RS-232會要求橋接模組存儲和轉發系統的資料包，以實現電氣隔離。
當採用CANOpen作為傳輸協定時，CAN還允許使用LSS(層設置服務)來動態地在系統中設置CAN位址。因為每個電力域獨立地通過其電橋 通電，所以電力域可以被激勵一次，然後再進行配置。由於主機知道哪個域被激勵，因而該域的位置也是已知的。
在一具體實施方式中，除了三個AMPS電力匯流排的導體外，電力域之間的常用的互連纜線還包括：用於高速信號傳輸(如快速乙太網)的四個導體；用於CAN信號傳輸以控制電力域的兩個導體，如下面所述；用於諸如廣播通信、串列通信等其它目的的兩個導體；和用於遮罩的一個導體。
即使某些導體不是必需的，也可以使用這樣的纜線和連接器裝置，因為通用纜線的優點及未來擴展的可能性補償了這樣的事實，即在某些情況下，已連接的元件將不會使用一個或多個導體。
AMPS模組：
電力域中使用的模組的集合決定了它的功能。用不同的模組執行的功能的實例是：電力域控制；電池充電；電力域橋接；太陽能板控制；和儀錶及感測器的電壓調節；圖11是電力網域控制站(“PDC”)模組90_PDC的框圖。PDC硬體是電力域內的主機和模組之間的仲介。因為它僅從VCONS汲取電力，所以它僅使用消耗件接入。監測電力進入PDC電路，由於CAN的高電流要求，該元件的電流消耗預計會比大多數模組更高。它與主機系統通過CAN介面通信，與模組通過RS485介面通信。當與模組進行通信時，PDC始終是主模組。PDC包 含電路，以控制和監控SYSOFF信號。如果SYSOFF變高，那麼PDC將保持SYSOFF低並持續一段允許主機系統(如果有的話)關閉的時間。如果支援冗餘CAN，則需要兩個獨立的CAN介面。因為在每個電力域中必須有一個電力PDC，且每個電力域容納在自己的防水外殼中，可以很方便地監控外殼中的壓力和溫度，以便說明洩漏檢測。
圖12是電池充電控制器模組90_BCC的框圖。BCC模組被設計用於控制兩個Inspired Energy SMBus智慧電池140的充電和放電。LTC1760充電控制器170自動地控制電池充電，包括使用在VPROD上的電力控制降壓穩壓器175。它還自主執行到VCONS上的電力通路控制二極體ORing VPROD和兩個電池。該LTC1760的自主操作提高了子系統的可靠性。該模組結合存儲和操作接入通道到AMPS電力匯流排。當系統電力關閉時，採用固態繼電器將電池從電路中斷開，以避免意外啟動。通過SMBus介面讀取電池資訊，電池資訊包括電池的電流和電壓、充電狀態以及電池製造商的資訊。
圖13是太陽能輸入模組90_SIM的框圖。所使用的太陽能板是串聯連接的成串的單個單元，這些單元具有稍高於電池的最大充電電壓的最大電力點電壓。在此實施方式中，太陽能板55的輸出是直接進入VPROD的二極體ORed。只要太陽能板是相對無遮蔽的，這個方法效果就很好。在陰影是問題的情況下，不同的模組可以設計為執行最大電力點跟蹤。太陽能輸入模組使用發生器接入通道來接入AMPS電力匯流排。從太陽能板產生的電力是由微控制器通過SMBus介面計量的。當SYSOFF高時，太陽能板從系統中斷開，以確保系統不會意外啟動。
如上所述，電池充電控制器模組結合存儲和操作接入通道到AMPS電力匯流排。在沒有操作接入通道的情況下，電池充電控制器模組從VPROD採取能量並將其引導到VCONS，一旦電池停止充電，該系統將無法直接 利用在VPROD上收集的能量。也就是說，在VPROD上收集的額外能量不可用於使用消耗件接入通道從VCONS獲得能源的模組。
在本實施方案中，在BCC模組上實現操作接入通道，因為該功能內置在BCC模組上使用的特定電池充電控制器IC(LTC1760)中。可替代地，操作接入通道可以併入太陽能輸入模組中。操作接入通道能在專屬於該功能的模組上實現，這是有重要原因的。然而，這是不太理想的，因為這樣的專用操作接入模組需要佔用底板上的一個或多個模組的插槽。
圖14是13.4V穩壓器模組90_Reg的框圖。該13.4VDC穩壓器模組對給需要約13.4V(12V+10%)的穩定電壓的外部設備供應電力進行控制。為了從系統中的電池得到這一輸出電壓，降壓-升壓穩壓器180是必需的，因為在VCONS的電壓在約12-25V的範圍內。使用單一的降壓-升壓穩壓器，之後使用成陣列的測量元件185和負載開關190，從而監測輸出電力、控制電容負載的湧流、提供電流限制並提供短路保護。該穩壓器不是無損的，這在報告使用不同組合的負載情況下所耗用能量的測量結果時必須重視。由於這個原因，也測量到穩壓器的輸入。該13.4V穩壓器模組使用消耗件接入通道來接入AMPS電力匯流排。
圖15是負載開關模組90_LS的框圖。該模組對給能夠接受寬輸入電壓範圍(12-25V)的外部設備供應電力進行控制。使用負載開關模組代替穩壓電源模組的優點是潛在消除多個級別的電壓調節，這將提高總系統的效率。每個模組包含若干電力埠，每個埠可以單獨受控，電流受限，湧流受保護，以及受監控。負載開關模組使用消耗件接入通道來接入AMPS電力匯流排。
圖16是橋接模組90(BRI)的框圖。橋接模組提供電路，使得能對VCONS和VPROD傳出的電力進行隔離和電流保護，並使得CAN介面能隔離。輸出電橋(最靠近根域)總是連接到輸入電橋。限流器和監控功能塊195 雙向測量電流和只限制出站電流。因為電力域是點至點地連接的，因此限制輸入電流是沒有必要的。即使當電橋被禁用時，該模組也能夠通過NFET的襯底二極體以及外部肖特基二極體接受限量的電力。監控輸入電流，並且如果它大於預定極限，則電橋將無條件啟用。一旦電橋被啟用，二極體被旁路，允許全部電力雙向流動。這防止在二極體或NFET的過度電力耗散。
根據電橋方向的不同，將外部CAN匯流排以兩種方式之一連接到電橋。輸出電橋能隔離下游CAN匯流排，以便在下游電子裝置或纜線發生的故障不會導致整個網路關閉。隔離通過本地電力域的CAN匯流排和外出CAN匯流排之間引入CAN中繼器200來實現。輸入電橋能夠與CAN通信，即使電橋被禁用時也如此，因此CAN中繼器應該設旁路。
專用連接器：
本發明的另一個方面是連接器系統，該連接器系統使得模組化有效載荷箱能與其他模組互連，與船舶中的控制系統互連，以及任選地當船舶是在岸上或連接至其他船舶時與集成有一個或多個AMPS域的其它設備互連。該系統包括被配置成在多個位置彼此電接觸的公連接器和母連接器，以提供用於電力交換或中繼、信號傳輸，控制，和/或以任何組合進行資料交換。
圖17是顯示用於連接各種有效載荷箱的纜線的端部的公連接器的立體圖。如可以看到的，引腳中3個比其它9個大。這是三個AMPS電力匯流排導體。較小的引腳是用於發信號的導體(四個導體用於快速乙太網，兩個導體用於CAN發信號，以及兩個導體用於串列通信)加上用於遮罩的一個導體。該發信號的導線是阻抗受控的，以促進高速的資料傳輸。公連接器嚙合母連接器或插座，從而將從在公連接器中的引腳退回的電纜線與從母連接器中的引腳接收部件或插座退回的線電連接。
圖17至21顯示用於連接本發明的模組使得它們能在功能上交互 的連接器的可能的形式特徵。從根本上講，可以使用任何可操作的引腳的形狀和佈置，只要在公連接器的引腳或插腳與母連接器的插座的孔以使該引腳可以被可逆地插入插座孔這樣的方式匹配即可。這樣就將運行到公連接器中的線與母連接器中的相應線連接。在該系統中的線可連接以便電連接且能運行地連接本發明的一個模組到另一模組、電源、主機或支撐結構。
在這些圖中所示的說明性佈置或設計選項具有在公連接器上的引腳和在母連接器的相應的插座孔，該引腳和該插座孔的橫截面是圓形的。引腳和相應的插座孔佈置在各自的連接器上的兩個同心圓內。三個AMPS電力匯流排引腳比其他引腳的截面直徑大得多，並佔據了在公連接器上的插腳裝置和在母連接器上的插座孔裝置的外圓中的三個相鄰的位置。
圖17示出了本發明的示例性的公電連接器，引腳或插腳排布在同心圓上。外殼是由防水的非導電材料製成的，非導電材料如橡膠或熱塑性，並且可以製成任何適當的形狀。這裡，所述外殼被示為具有大致圓筒狀的主體部、錐形部、和可以由使用者抓住並拉出的球狀部，從而用於說明分離插入母插頭的公插頭。此外，還有從外殼退回的纜線，該纜線包括包圍在非導電護套內的電力線和信號線。一種這樣的公連接器可通過纜線連接到另一個公連接器，使得駐留在系統的兩個相應的模組或部件的母連接器可通過纜線進行互連。一種這樣的公連接器可以通過纜線連接到相應的母連接器，例如，以產生延長線。
圖18A示出了另一示例性的公電連接器，其中引腳或插腳具有從外殼沿長度延伸的部分包層。在這種結構中，包層是由非導電性橡膠或熱塑性材料製成的，並有助於在插入在母連接器的插座孔時與其側面建立嚴密的防水密封部。圖18B是相同的公連接器的縱向視圖。
圖19示出了本發明的母電連接器，插座孔安排和配置在具有退回的纜線的外殼中，使得所述插座孔可操作地和可逆地嚙合公連接器的對應的 引腳。插座孔按與可逆插入的公連接器的引腳成鏡像的方式排列。在公和母連接器上的引腳和插座孔，分別形成各自的尺寸和形狀，以與相對的母和公連接器的相應的插座孔或引腳嚙合。一旦嚙合，第一連接器的電力線和信號線被電連接到第二連接器的相應電嚙合線和信號線。在本發明的某些部署中，母電連接器的外殼接近于或齊平於系統的模組或其它元件的表面，使得可見部分基本上由母連接器的前端面組成，它的後面插座孔垂直向內突出。
引腳和插座孔也可以設置成幫助形成圍繞每個引腳的防水密封件的尺寸和形狀，例如，插座孔具有的直徑略小於引腳的最寬的直徑。可替代地或另外地，母外殼和/或公外殼可以配備有可逆地嚙合相對的公或母連接器的外殼或套環的套環(未示出)，使得當兩個連接器嚙合時，套環形成圍繞在母和公連接器可操作地嚙合時彼此相對的前平面的防水密封部。
圖20A、圖20B和圖21示出本發明的一方面，其包括公連接器和母連接器的組合，其中公連接器與母連接器配套，引腳和插座孔相吻合的配置使得公連接器的引腳可以充分推入到母連接器的插座孔中，從而電連接各自的電力或信號線。在圖20A和20B中，對應的公和母連接器被示出隔開和彼此對準。在圖21中，連接器對顯示公連接器的引腳與母連接器的插座孔嚙合，使得所述公和母連接器的外殼的前平面是相鄰的。
圖22是用於互連AMPS電力域的纜線的縱向視圖。該纜線包括在每一端的本發明的公連接器。其他配置包括：公連接器在其一端部和母連接器在其另一端部的纜線，以及直接連接或集成到AMPS模組或域的有效載荷箱中的一個或多個公和母連接器。連接引腳的外殼基本上是圓筒形的，引腳從外殼突出基本上相同的長度，也就是約0.5英寸。可替代地，用於傳導電力的引腳可比用於傳導邏輯信號的引腳短或長。
圖23A是公連接器的外殼的跨越平面(引腳從該平面突出)的 橫截面和表面圖。在本實施方式中，用於傳導電力的引腳比用於傳導邏輯信號的引腳厚或具有較大的直徑，並且在引腳構造的側面之一上被集合在一起。引腳10被電連接到纜線上的遮罩物上。在圖中所示的外殼具有直徑約1英寸，引腳設置在兩個直徑為約0.8和0.3英寸的同心圓上。
圖23A還將引腳描繪為在公連接器的基底或外殼附近較粗。這是因為用絕緣材料包住了它們的朝向外殼的長度的一部分。引腳的進一步向著端部的導電部暴露，以便電連接到母連接器中的接收部件。以這種方式，在每個引腳的包層被配置成在母公連接器完全嚙合時與母連接器的相應的接收部件形成密封部。結構上，引腳上的包層的橫截面形狀和尺寸設置成匹配接收元件的內表面，而接收元件的內表面反過來其在配合表面附近的橫截面形狀和尺寸設置成匹配引腳的包層。因此，引腳的導電部嚙合接收部件的導電部分，接通電路，同時引腳的包層和接收部件的內部形成密封部，從而使得連接能防水。
圖23B是顯示在圖23A中所示的輸出引腳分配的圖表，該輸出引腳分配配置為使如上所述的本發明的電力系統互連。
圖24是在外殼內的電氣線路的示意圖。邏輯導電線3至8和11至12根據它們的功能成對排列。
為了防止接地回路，遮罩物應在纜線的一側接地。按照慣例，遮罩物在最靠近根域的電力域上接地。
模組化有效載荷箱系統：
圖25A和25B是WPV船體30和模組化有效載荷箱205的當前的實施方式的分解圖，並進一步顯示了有效載荷箱如何可以按長度(沿著船體的軸)是模組化的有效載荷單元(“MPU”)的整倍數來製造。圖25A顯示了太陽能板55如何將被放置在有效載荷箱上。圖25B顯示了一些額外的構建細節。雖然尺寸不是關鍵的，但應注意，在本實施方式中船體為約114英寸(2.9米) 長，並提供了約3.3立方英尺(93升)的有效載荷空間。基本的MPU為約1英尺。圖25C和25D顯示WPV船體和模組化有效載荷箱的額外示圖。
圖26A是從構造成保持WPV的命令和控制單元(“CCU”)電子裝置的有效載荷箱210的前部觀察的立體圖，圖26B是在26A圖中所示的CCU有效載荷箱的正視圖。CCU有效載荷箱沿船體軸擴展3個MPU。還示出的是用於傳輸信號到CCU電子裝置和從CCU電子裝置傳輸信號的纜線，和用於通常被部署在自主水設備上的多個天線中的一個的基座。前視圖示出了模組化的有效載荷箱的下部的橫截面。圖26C和26D是圖26A所示的CCU有效載荷箱的頂和底半部的透視圖。圖26E和26F是圖26A所示的CCU有效載荷箱底半部的正視圖和側視圖。
圖27A示出了配置成容納電池組的模組化有效載荷箱215，圖27B和27C是圖27A所示的電池有效載荷箱的頂和底半部的透視圖。電池有效載荷箱沿船體軸擴展1MPU。圖27D和27E是圖27A所示的模組化有效載荷箱的底半部的正視圖和側視圖。可以看出，電池有效載荷箱215的下部分具有與CCU有效載荷箱的橫截面基本相同的橫截面。用於有效載荷箱的合適的材料包括模壓增強塑膠樹脂。當前的選擇是在SABIC Innovative Plastics Holding BV的商品名Noryl下出售的30%玻璃填充的塑膠樹脂。替代材料是鋁和ABS。
結論：
總之，可以看出，本發明的實施方式提供了一種靈活的和可擴展的電力管理和分配系統。這可以通過模組化有效載荷系統得到加強。
雖然以上是本發明的具體實施方式的完整描述，但上面的描述不應被視為限制由權利要求書所限定的本發明的範圍。

Claims (18)

  1. 一種用於自主水設備的電力系統，所述系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；攜帶所述電力匯流排以及包括多個連接器的底板；至少一個模組，稱為可適配模組化電力系統模組，每個可適配模組化電力系統模組通過相應的連接器被耦合到所述底板，所述可適配模組化電力系統模組包括從組中選擇的至少一個模組，所述組包括：消耗件模組，其具有用於耦合電負載到所述消耗件電壓線的電路；發生器模組，其具有用於耦合電源到所述發生器電壓線的電路；以及橋接模組，其具有用於耦合到所述底板上的所述發生器電壓線和消耗件電壓線以及限制在相應的發生器電壓輸出線和消耗件電壓輸出線上的外出電流的電路；第一電力域位於所述自主水設備的船體上；以及第二電力域位於水下面的結構上，並通過水下纜線耦合到所述第一電力域。
  2. 根據請求項1所述的電力系統，其中成組的可適配模組化電力系統模組包括具有電路的電池充電器模組，所述電路用於：耦合到所述發生器電壓線以對電池充電；以及耦合到所述消耗件電壓線或耦合電池電壓到所述消耗件電壓線。
  3. 根據請求項1所述的電力系統，其中所述成組的可適配模組化電力系統模組包括電池充電器模組。
  4. 根據請求項1所述的電力系統，其中所述發生器模組是太陽能輸入模組。
  5. 根據請求項1所述的電力系統，其中：所述多個連接器被佈置在網格上；以及所述可適配模組化電力系統模組在具有與所述網格間距相容的尺寸的電路板上實現。
  6. 根據請求項1所述的電力系統，其中，所述電力系統包括多個電力域，每個電力域具有不同的底板。
  7. 根據請求項1所述的電力系統，其中：所述可適配模組化電力系統模組被分佈在多個電力域；以及所述可適配模組化電力系統模組包括用於每個電力域的電力網域控制站。
  8. 一種用於自主水設備的電力系統，所述系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線設備電力匯流排；以及攜帶所述電力匯流排以及包括多個連接器的底板；至少一個模組，稱為可適配模組化電力系統模組，每個可適配模組化電力系統模組通過相應的連接器被耦合到所述底板，所述可適配模組化電力系統模組包括具有用於耦合電負載到所述消耗件電壓線的電路的至少一個消耗件模組，其中：第一電力域位於所述自主水設備的船體上；以及第二電力域位於水下面的結構上，並通過水下纜線耦合到所述第一電力域。
  9. 根據請求項8所述的電力系統，其中：所述多個連接器被佈置在網格上；以及所述可適配模組化電力系統模組在具有與所述網格間距相容的尺寸的電路板上實現。
  10. 一種用於自主水設備的電力系統，所述系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線設備電力匯流排；以及攜帶所述電力匯流排以及包括多個連接器的底板；至少一個模組，稱為可適配模組化電力系統模組，每個可適配模組化電力系統模組通過相應的連接器被耦合到所述底板，所述可適配模組化電力系統模組包括具有用於耦合電源到所述發生器電壓線的電路的至少一個發生器模組；第一電力域位於所述自主水設備的船體上；以及第二電力域位於水下面的結構上，並通過水下纜線耦合到所述第一電力域。
  11. 根據請求項10所述的電力系統，其中：所述多個連接器被佈置在網格上；以及所述可適配模組化電力系統模組在具有與所述網格間距相容的尺寸的電路板上實現。
  12. 一種用於自主水設備的電力系統，所述系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線設備電力匯流排；以及攜帶所述電力匯流排以及包括多個連接器的底板；至少一個模組，稱為可適配模組化電力系統模組，每個可適配模組化電力系統模組通過相應的連接器被耦合到所述底板，所述可適配模組化電力系統模組包括具有用於耦合到所述底板上的所述發生器電壓線和消耗件電壓線以及限制在相應的發生器電壓輸出線和消耗件電壓輸出線上的外出電流的電路的至少一個橋接模組；第一電力域位於所述自主水設備的船體上；以及第二電力域位於水下面的結構上，並通過水下纜線耦合到所述第一電力域。
  13. 根據請求項12所述的電力系統，其中：所述多個連接器被佈置在網格上；以及所述可適配模組化電力系統模組在具有與所述網格間距相容的尺寸的電路板上實現。
  14. 一種用於自主水設備的電力系統，所述系統包括：具有發生器電壓線、消耗件電壓線和接地線的三線電力匯流排；至少一個模組，稱為可適配模組化電力系統模組，每個可適配模組化電力系統模組被耦合到所述電力匯流排，所述可適配模組化電力系統模組包括從組中選擇的至少一個模組，所述組包括：消耗件模組，其具有用於將電負載耦合到所述消耗件電壓線的電路；發生器模組，其具有用於將電源耦合到所述發生器電壓線的電路；以及橋接模組，其具有用於耦合到所述發生器電壓線和消耗件電壓線以及限制在相應的發生器電壓輸出線和消耗件電壓輸出線上的外出電流的電路；其中：所述模組被分佈在多個電力域上；以及每個電力域包括用於耦合在該電力域中的所述電力匯流排到不同的電力域的橋接模組，所述橋接模組還提供傳輸信號至不同的電力域，其中：第一電力域位於所述自主水設備的船體上；以及第二電力域位於水下面的結構上，並通過水下纜線耦合到所述第一電力域。
  15. 根據請求項14所述的電力系統，其中：成組的可適配模組化電力系統模組包括具有電路的電池充電器模組，所述電路用於：耦合到所述發生器電壓線以對電池充電；以及耦合到所述消耗件電壓線或耦合電池電壓到所述消耗件電壓線上。
  16. 根據請求項14所述的電力系統，其中所述發生器模組是太陽能輸入模組。
  17. 根據請求項14所述的電力系統，其中：每個電力域包括攜帶所述電力匯流排並且包括佈置在網格上的多個連接器的底板；以及所述可適配模組化電力系統模組在具有與所述網格間距相容的尺寸的電路板上實現。
  18. 根據請求項14所述的電力系統，其中所述可適配模組化電力系統模組包括用於每個電力域的電力網域控制站。
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